新能源轉換與控制技術

2023/11/14新能源轉換與控制技術劉細平博士副教授2023最新整理收集do

something2023/11/14本書主要內容第1章新能源轉換與控制技術導論

第2章電源變換和控制技術基礎知識

第3章風能、風力發(fā)電與控制技術

第4章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術

第5章生物質能的轉換與控制技術

第6章天然氣、燃氣發(fā)電與控制技術

第7章水能、小水力發(fā)電與控制技術

第8章海洋能利用與發(fā)電技術

第9章其他新能源的發(fā)電與應用技術

2023/11/14緒論新能源利用包括可再生能源(風能、太陽能、生物質能、水能、海洋能)和地熱能、氫能、核能轉換及其利用新技術（高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術）。

新能源轉換與控制技術涉及：①利用可再生能源和清潔能源發(fā)電，以便持續(xù)獲得二次清潔能源―電能；②對電能通過變換與控制，滿足高質量的終端能源消費需求和電力的高效管理。

2023/11/14第1章新能源轉換與控制技術導論2023/11/142023/11/141.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.2能源的分類與基本特征

1.3新能源發(fā)電――能源轉換的重要形式

1.4新能源轉換與控制技術的經(jīng)濟意義

本章主要內容2023/11/141.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.1.1中國的能源結構與儲備

1、中國的能源結構中國是一個能源大國，在能源結構中煤炭儲量最為豐富，僅次于俄羅斯、美國。但是，中國又是一個能源貧國，中國的人均能源資源占有量為全世界人均水平的1/2，僅為美國人均水平的1/10。

2023/11/142023/11/14

煤多油少是中國能源儲存結構的基本特點，這種結構到今后20年，甚至到本世紀中葉，我國以煤為主的能源結構將不會改變。

在能源生產(chǎn)與消費中，以煤炭為主要能源直接進行燃燒，因燃燒工藝落后，燃燒不充分，造成環(huán)境污染嚴重、效率低下、浪費驚人。2023/11/142、中國的資源和能源儲備

我國對能源的開發(fā)利用已達到相當高的強度，但能源利用效率的低下。我國能源利用效率僅為30%左右。中國能源短缺在很大程度上是能源利用結構同資源稟賦結構矛盾的表現(xiàn)。煤電油供需矛盾相當突出。建立高度節(jié)約型的循環(huán)經(jīng)濟體制，深入研究、大力開發(fā)和利用新能源，是中國實現(xiàn)和平崛起的唯一選擇。2023/11/14中國與世界一次能源消費結構比較（2004年）

（美國數(shù)據(jù)為2001年）2023/11/14中國能源產(chǎn)消現(xiàn)狀2023/11/14年份占能源消費總量的比重/%煤炭石油天然氣水電、核電、風電198072.220.73.14198575.817.12.24.9199076.216.62.15.1199574.617.51.86.1200067.823.22.46.7200166.722.92.67.9200266.323.42.67.7200368.422.22.66.820046822.32.67.1200569.1212.87.1200669.420.437.2中國一次能源消費結構2023/11/14“十五”以來中國能源消費增長情況2023/11/141.1.2中國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略l980～2000年期間，中國能源發(fā)展成就巨大：實現(xiàn)了GDP翻兩番而能源消費僅翻一番的成就。能源利用效率大幅度提高。取得了相當大的環(huán)境效益。這些成就為我國的經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻。但與世界發(fā)達國家相比，我國在新能源利用與開發(fā)方面還存在很大差距。2023/11/14

在2006年初，我國正式頒布了《可再生能源法》，陸續(xù)出臺一系列鼓勵政策與配套措施。這標志著可再生能源的利用已進入法制化、規(guī)范化和可持續(xù)發(fā)展的新階段，并迸發(fā)超前的活力，為中國能源事業(yè)的發(fā)展、為國民經(jīng)濟與社會事業(yè)的繁榮再添輝煌。未來，我國將以水電、沼氣發(fā)電、秸桿發(fā)電、太陽能供熱等常規(guī)清潔能源轉換成熟技術和風電、光伏發(fā)電、燃料電池、微燃機組熱——電聯(lián)產(chǎn)分布供電等具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g為重點。

2023/11/14風力發(fā)電2023/11/14水力發(fā)電2023/11/14燃料電池汽車2023/11/14奧體中心光伏發(fā)電項目

2023/11/141.2能源的分類與基本特征1.2.1能源的分類1、能源能源是可以直接或通過轉換提供給人類所需的有用能的資源。世界上一切形式的能源的初始來源是核聚變、核裂變、放射線源以及太陽系行星的運行。2、能源的分類

“世界能源理事會(WorldEnergyCouncil–WEC)”推薦的能源分類如下：固體燃料；液體燃料；氣體燃料；水力；核能；電能；太陽能；生物質能；風能；海洋能；地熱能；核聚變能。能源還可分為：一次能源，二次能源和終端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常規(guī)能源；商品能源和非商品能源等。

2023/11/141.2.2能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界沒有經(jīng)過加工轉換的各種能量和資源。一次能源可再生能源非再生能源

可再生能源應是清潔能源或綠色能源，它包括：太陽能、水力、風力、生物質能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等；是可以循環(huán)再生、取之不盡、用之不竭的初級資源。

包括：原煤、原油、天然氣、油頁巖、核能等，它們是不能再生的，用掉一點，便少一點。

2023/11/14二次能源:是指由一次能源經(jīng)過加工轉換以后得到的能源產(chǎn)品。例如：電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭等等。二次能源是聯(lián)系一次能源和能源終端用戶的中間紐帶。二次能源又可分為“過程性能源”和“合能體能源”。過程性能源和合能體能源是不能互相替代的，各有自己的應用范圍。

如：電能如：柴油、汽油2023/11/14終端能源指供給社會生產(chǎn)、非生產(chǎn)和生活中直接用于消費的各種能源。常規(guī)能源又稱傳統(tǒng)能源。已經(jīng)大規(guī)模開采和廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源屬于常規(guī)能源。商品能源是作為商品經(jīng)流通環(huán)節(jié)大量消費的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然氣、水電和核電5種。非商品能源主要指枯柴、秸稈等農業(yè)廢料、人畜糞便等就地利用的能源。非商品能源在發(fā)展中國家農村地區(qū)的能源供應中占有很大比重。2023/11/141.2.3新能源及主要特征新能源：技術上可行；經(jīng)濟上合理；環(huán)境和社會可以接受；能確保供應和替代常規(guī)化石能源的可持續(xù)發(fā)展能源體系。包含兩方面：新能源體系：可再生能源(風能、太陽能、生物質能、水能、海洋能)和地熱能、氫能、核能新能源利用技術：高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術2023/11/14“新”與“舊”的區(qū)別“新”與傳統(tǒng)的“舊”能源利用方式和能源系統(tǒng)相對立?！芭f”：以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源利用形態(tài)；只強調轉換端效率，不注重能源需求側的綜合利用效率；只強調經(jīng)濟效益，不注重資源、環(huán)境代價的傳統(tǒng)能源利用理念。“新”：

①高效利用能源；

②資源綜合利用；

③可再生能源；

④替代能源；

⑤節(jié)能。

2023/11/141.2.4分布式能源及主要特征1、分布式能源

國際分布式能源聯(lián)盟（WADE）對“分布式能源”給出的定義是：發(fā)電系統(tǒng)能夠在消費地點或很近的地方發(fā)電，并具有：

①高效的利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生產(chǎn)熱和電；

②現(xiàn)場端的可再生能源系統(tǒng)；

③包括利用現(xiàn)場廢氣、廢熱以及多余壓差來發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。這些系統(tǒng)就稱為分布式能源系統(tǒng)，而不考慮這些項目的規(guī)模、燃料或技術，及該系統(tǒng)是否聯(lián)接電網(wǎng)等條件。

2023/11/14國際公認的兩個具有發(fā)展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃氣機發(fā)電機組，這是實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、高效利用能源和節(jié)能的最主要形式；“燃料電池”技術，這也是未來最主要的分布式能源利用技術方向之一。

高效燃料電池2023/11/14微型燃氣輪機2023/11/142、分布式能源主要特征

(1)高效性(2)環(huán)保性(3)能源利用的多樣性(4)調峰作用(5)安全性和可靠性(6)減少國家輸配電投資(7)解決邊遠地區(qū)供電2023/11/141.3新能源發(fā)電――能源轉換的重要形式

1.3.1新能源發(fā)電技術的應用

風力發(fā)電

風力發(fā)電經(jīng)歷了從獨立發(fā)電系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過程，大規(guī)模風力發(fā)電系統(tǒng)的建設已成為發(fā)達國家風電發(fā)展的主要形式。目前研發(fā)重點主要集中在大型風力發(fā)電場與現(xiàn)有電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；繼續(xù)開發(fā)可靠的風力預報方法；開展與風能開發(fā)相配套的生態(tài)影響研究；發(fā)展海上風力發(fā)電等。

2023/11/14太陽能發(fā)電美國是世界上太陽能發(fā)電技術研究開發(fā)較早的國家，在太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng)和盤式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)展較快。目前，在世界范圍內已建成多個MW級的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國最大太陽能發(fā)電項目——“太陽能之星”2023/11/14燃料電池發(fā)電燃料電池是一種無污染的能源，主要用途包括：固定地點發(fā)電、提供居民住宅用電、交通運輸、便攜電源、垃圾與污水處理。美國每年投資數(shù)億元開發(fā)燃料電池，掌握了許多最先進的技術。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池汽車2023/11/14生物質發(fā)電全球每年植物所固定的生物質能相當于10.2萬億噸標準煤，相當于全世界每年耗能（87億噸標準煤）1172倍。巴西以甘蔗為原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工農業(yè)中廣泛使用。我國每年可利用的生物質能總量約合7億噸標準煤，但目前開發(fā)極少。

生物質發(fā)電示意圖秸稈發(fā)電廠2023/11/14核能發(fā)電

又稱原子能，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。核裂變主要應用于核能發(fā)電，技術應用比較成熟。核聚變則有幾大優(yōu)點：安全、無污染、高效，核能中聚變能是一種無限、清潔、安全的理想能源。

俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠

核能發(fā)電廠水蒸氣2023/11/14燃氣發(fā)電根據(jù)用戶用能性質、資源配置等不同情況，由燃氣管網(wǎng)將天然氣、煤層氣、地下氣化氣、生物沼氣等一切可以利用的資源就近送達用戶。由小型燃機、微型燃機、內燃機、外燃機等各種傳統(tǒng)的和新型發(fā)電裝置組成熱電聯(lián)產(chǎn)或分布式能源供給系統(tǒng)。

距尼日利亞拉各斯70余公里的帕帕蘭多燃氣電站一角。帕帕蘭多燃氣電站的8臺燃氣機組都是由中國制造?？傃b機容量為33.6萬千瓦。

2023/11/14其他還有小水利發(fā)電、地熱能發(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源轉換利用。

地熱能發(fā)電海洋能—潮汐發(fā)電站2023/11/141.3.2我國新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

太陽能發(fā)電——我國太陽能電池制造水平比較先進，實驗室效率已經(jīng)達到21%，一般商業(yè)電池效率是10%～14%。已建成1座光伏電站，總容量約40MW。風能發(fā)電——到2005年底，我國獨立風電裝置有10多萬臺，總容量20MW左右，80%以上在內蒙古。新疆達板城風電二場是我國目前最大的聯(lián)網(wǎng)風電場，我國自行研制的1.5MW風力發(fā)電機組已經(jīng)投入運行。地熱能發(fā)電——地熱能我國地熱發(fā)電站總裝機容量30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三個地熱電站規(guī)模較大。生物質能發(fā)電——生物能發(fā)電在我國尚處于起步階段，蔗渣/稻殼燃燒發(fā)電、稻殼氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等技術已得到應用，總裝機容量約800MW。2023/11/14燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世紀90年代中期以來，我國在燃料電池研究方面取得了較大的進展。燃料電池技術列入了國家應用研究與發(fā)展重大項目，其研究目標直指國際水平。小水利發(fā)電——由于小水電站投資小、風險低、效益穩(wěn)、運營成本比較低，在國家各種優(yōu)惠政策的鼓勵下，全國掀起了一股投資建設小水電站的熱潮。核能發(fā)電——預計，中國計劃2020年核能發(fā)電能力將由目前的約8kMW增加到40kMW，投資金額高達300億美元。開發(fā)時序預期為：2000－2020年重點開發(fā)先進核反應堆技術；

2020－2030年重點開發(fā)快中子堆技術；

2030－2040年重點開發(fā)加速器驅動亞1臨界系統(tǒng)；

2040－2050年重點開發(fā)受控核聚變技術。

2023/11/141.3.3新能源發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)的典型結構1.3.3.1太陽能光伏發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)

光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽光輻射能量轉換為電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池板、控制器、儲能等環(huán)節(jié)組成，將太陽能轉換為可利用的電能。1、光伏發(fā)電系統(tǒng)結構典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、蓄電池組、控制器、電力電子變換器、負載等構成。

2023/11/14（1）光伏陣列實際的光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，將若干個光伏電池組件經(jīng)串并聯(lián)排列組成光伏陣列，滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和電流的需要。光伏電池組件的串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量；光伏電池的并聯(lián)，要求所并聯(lián)組件具有相同的電壓等級。

1個光伏電池額定輸出電壓大約為0.45V.圖1-1光伏發(fā)電系統(tǒng)組成2023/11/14（2）蓄電池組

作為電能存儲環(huán)節(jié)，通過充電控制器實現(xiàn)對蓄電池組的充放電（太陽能電池陣列――蓄電池組的充電、蓄電池組――負載的放電）雙向變換控制。（3）電力電子變換器

電力電子變換器實現(xiàn)DC－AC或DC－DC電能變換，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵部分。

直流變換器——將直流電源變換為不同電壓等級的直流電源交流變換器——將直流電源逆變成交流電源變換器2023/11/14（4）控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)中的控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制。功能包括：太陽能最大功率點控制（MPPT）蓄電池充放電控制光伏直流輸電升降壓變換控制

逆變器控制等（5）負載

終端電能消耗設備，通過消耗電能作功，將電能再次轉換成其他形式的能量。負載直流負載——由直流電源供電

交流負載——由交流電源供電

2023/11/142、光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

按電力系統(tǒng)終端供電模式分為孤立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。（1）獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

——獨立用戶安裝的為自身供電的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)

用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨立光伏發(fā)電站。一般由光伏電池板、蓄電池、充放電變換器和控制器等組成。圖1-2戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)2023/11/14（2）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能電池陣列、變換器（斬波器、逆變器）和控制器組成。典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖：圖1-3典型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)2023/11/143、電源變換系統(tǒng)結構

逆變電路是所有新能源轉換系統(tǒng)中最重要的電能變換電路。主要作用是將直流電經(jīng)DC/AC逆變器變換成與電網(wǎng)同頻率的交流電，為實現(xiàn)并網(wǎng)供電奠定基礎。根據(jù)直流母線采用的儲能組件，將逆變電路分成兩大類：逆變電路電流源型電壓源型2023/11/14（1）電流源逆變電路

——直流母線采用電感（L）儲能圖1-4典型電流源逆變電路

2023/11/14（2）電壓源逆變電路

——直流母線采用電容（C）儲能圖1-5典型電壓源逆變電路

2023/11/14（3）復雜逆變電路

優(yōu)點是輸出波形質量高、諧波分量小，單只開關器件的電壓低；缺點是存在中點平衡問題，電路控制復雜，成本高。圖1-6二極管箝位的三電平電路

2023/11/14（4）級聯(lián)式逆變器

多電平逆變器雖然可根據(jù)光伏陣列的組合，方便地組合成多電平光伏逆變器，但由于各級電平中對應的光伏陣列可能存在不均衡，電平平衡控制仍然是一個難題，限制了其廣泛應用。

圖1-7級聯(lián)式多電平逆變器拓撲結構

2023/11/141.3.3.2風力發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)從能量轉換的角度來看，風力發(fā)電機組包括兩大部分：一部分是風力機，由它將風能轉換為機械能；另一部分是發(fā)電機，由它將機械能轉換為電能。風力機在結構型式上分水平軸式與垂直軸式。垂直軸水平軸2023/11/141．風力發(fā)電系統(tǒng)結構風力發(fā)電系統(tǒng)是將風能轉換為電能，由機械、電氣及控制３大系統(tǒng)組合構成。包括風輪（風力機）、發(fā)電機、變速器及有關控制器和儲能裝置。典型的風力發(fā)電系統(tǒng)：風能資源風力發(fā)電機組控制裝置蓄能裝置備用電源電能用戶2023/11/14２．獨立運行的風力發(fā)電機組

又稱離網(wǎng)式風力發(fā)電機組，是把風力發(fā)電機組輸出的電能經(jīng)蓄電池蓄能，再供應用戶使用。圖1-8獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)框圖

2023/11/14儲能方式：蓄電池蓄能(主要）

——在風力發(fā)電系統(tǒng)中，多采用鉛酸蓄電池和堿性蓄電池作為存儲電能的裝置。抽水蓄能

——地形條件合適壓縮空氣儲能飛輪儲能電解水制氫儲能2023/11/14３、并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組（1）恒速恒頻方式

——風力發(fā)電機組的轉速不隨風速的波動而變化，始終維持恒轉速運轉，從而輸出恒定額定頻率的交流電。采用籠形異步發(fā)電機。圖1-9恒速恒頻并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

2023/11/14恒速發(fā)電的特點：電氣系統(tǒng)簡單，可適合于在野外缺少維護的環(huán)境下工作。轉速不變，輸出功率和轉速的控制全靠傾角控制完成，要求傾角控制響應快，動作次數(shù)多，調節(jié)機構易疲勞損壞；強陣風來時，轉速不變，機械承受應力大，要求堅固，所以又稱“剛性”風力發(fā)電。適用于小功率風電系統(tǒng)，通常不大于600kW。2023/11/14（2）變速恒頻方式

——風力發(fā)電機組的轉速隨風速的波動作變速運行，但仍輸出恒定頻率的交流電。變速發(fā)電的特點：在不同風速下，渦輪機都工作在最高效率點，提高效率10%；減小發(fā)電機電磁轉矩脈動和機械承受的應力，減輕機械強度要求，又稱“彈性”風力發(fā)電；電磁轉矩脈動小，發(fā)出電力的波動小，提高發(fā)電質量；在強風來時傾角控制器才工作，對傾角控制的響應速度大大降低、動作次數(shù)顯著減少、機構壽命得以延長。適用于大功率發(fā)電場合，通常大于1000kW

2023/11/14a、同步發(fā)電機的直接并網(wǎng)系統(tǒng)特點：①發(fā)電機發(fā)出的全部電功率都通過變頻器，發(fā)電系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收麻煩；②可以使用永磁發(fā)電機，發(fā)電機輕、效率高，變換器增加的投資可以從節(jié)省的機械結構中得到補償；③變頻器中的交－直變換可以用二極管整流+直流斬波，形式簡單。

圖1-10同步發(fā)電機的直接并網(wǎng)系統(tǒng)2023/11/14b、雙饋發(fā)電機(繞線轉子異步發(fā)電機)的并網(wǎng)系統(tǒng)雙饋發(fā)電系統(tǒng)的工作原理為：當發(fā)電機轉子轉速高于同步速時，雙饋電機工作于發(fā)電狀態(tài)；當轉速低于同步速時，雙饋電機工作于電動狀態(tài)。

圖1-11雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)系統(tǒng)2023/11/14異步交直交并網(wǎng)發(fā)電荷蘭WES5-2.5KW2023/11/14特點：①在變頻器中僅流過轉差功率，其容量小，投資和損耗小，發(fā)電效率提高，諧波吸收方便；②要求雙向功率流過變頻器，變頻器必須是四象限雙PWM變頻器，由兩套IGBT變換器構成；③只能使用雙饋發(fā)電機，比永磁發(fā)電機重，效率低。兩種變速發(fā)電系統(tǒng)都有應用。其中，由于雙饋發(fā)電系統(tǒng)可獲得較高的發(fā)電效率，屬于重點推廣技術。2023/11/14４．變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的控制變速恒頻發(fā)電不是根據(jù)風速信號控制功率和轉速，而是根據(jù)轉速信號控制?？刂埔螅?/p>

①低風速段按輸出最大功率要求進行變速控制；

②中風速段為過渡區(qū)段，傾角控制器投入工作，功率則隨風速增加上升；

③高風速段為功率和轉速均被限制區(qū)段，功率靠變頻器限制。2023/11/14（1）雙饋發(fā)電系統(tǒng)的變頻器控制

圖1-12雙饋發(fā)電系統(tǒng)變頻器控制原理框圖2023/11/14（2）風機漿葉節(jié)距控制

圖1-13槳葉節(jié)距傾角控制系統(tǒng)框圖2023/11/141.3.3.3燃料電池發(fā)電及其電源變換系統(tǒng)分類：固定式的燃料電池汽車專用移動式燃料電池特點：低噪聲；變換效率高，對環(huán)境的污染幾乎為零；體積小，使用方便；能使用多種燃料發(fā)電，可以代替火力發(fā)電。2023/11/141．燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構成

燃料重整系統(tǒng)空氣供應系統(tǒng)控制系統(tǒng)DC/AC變換系統(tǒng)剩氣循環(huán)系統(tǒng)排熱回收系統(tǒng)燃料空氣電力熱輸出（高溫燃料電池）圖1-14燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構成框圖2023/11/14燃料重整系統(tǒng)――將得到的燃料轉化為燃料電池能使用的以氫為主要成分的轉換系統(tǒng)；空氣供應系統(tǒng)――可以使用電動機驅動的送風機或空氣壓縮機；DC/AC變換系統(tǒng)――直流到交流的逆變裝置；排熱回收系統(tǒng)――用于回收燃料電池發(fā)電時產(chǎn)生的熱能；控制系統(tǒng)――燃料電池發(fā)電時的起動、停止、運行、外接負載等的控制裝置；剩余氣體循環(huán)系統(tǒng)――在高溫燃料電池發(fā)電裝置中，由于燃料電池排熱溫度高，因此安裝可以使用蒸汽輪機與燃氣輪機剩余氣體的循環(huán)系統(tǒng)。

2023/11/142．燃料電池發(fā)電――電源變換控制系統(tǒng)

燃料供給燃料處理器(汽油或甲烷)燃料電池堆DC/DC變換器DC/AC變換器220V/50Hz負載熱管理余熱回收蓄電池燃料電池控制器－空氣管理－燃料管理－傳感器電力控制器中央動力控制單元H2并網(wǎng)運行K燃料電池發(fā)電――電源變換系統(tǒng)的工作方式與內燃機相似。

圖1-15燃料電池發(fā)電——電源變換控制系統(tǒng)框圖2023/11/14燃料電池的分類：按電解質性質分：堿性燃料電池（AlkalineFuelCell－AFC）質子交換膜燃料電池（ProtonExchangeMembraneFuelCell－PEMFC）磷酸燃料電池（PhosphoricAcidFuelCell－PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MoltenCarbonateFuelCell－MCFC）固態(tài)氧化物燃料電池（SolidOxideFuelCell－SOFC）按工作溫度分：低溫燃料電池（AFC、PEMFC、PAFC）高溫燃料電池（MCFC、SOFC）按開發(fā)早晚順序：把PAFC稱為第一代燃料電池；把MCFC稱為第二代燃料電池；把SOFC稱為第三代燃料電池。2023/11/141.4新能源轉換與控制技術的經(jīng)濟意義1.4.1能源是經(jīng)濟發(fā)展的引擎1、世界能源消費現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

過去100多年世界能源消費變化2023/11/142023/11/142、中國能源消費現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2023/11/143、中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與新能源利用

實現(xiàn)未來15年的發(fā)展目標，能源、資源和環(huán)境是最大的制約因素。

新能源利用從廣義化概念講，應包括以下3個方面：綜合利用能源

——以提高能源利用效率和節(jié)能為目標，加快轉變經(jīng)濟增長方式。替代能源

——發(fā)展煤炭潔凈燃燒技術和煤制油產(chǎn)業(yè)為目標，降低對石油進口的依賴。新能源轉換

——大力發(fā)展以可再生能源為主的新能源利用體系，調整、優(yōu)化能源結構。2023/11/141.4.2新能源轉換的經(jīng)濟意義1、新能源轉換的資源保障（1）光伏發(fā)電

——利用光伏電池將太陽產(chǎn)生的光能直接轉換成電能的發(fā)電形式太陽能的轉換利用方式有：光――熱轉換光――電轉換光――化學轉換但如何合理利用太陽能發(fā)電，提高光――電轉換效率，降低開發(fā)和轉化成本，是太陽能發(fā)電與控制技術面臨的重要課題。

2023/11/14（2）風能發(fā)電——利用風力發(fā)電機將風能轉換為電能的發(fā)電形式。中國的風能總儲量估計為1.6×109kW，列世界第三位。風能發(fā)電的經(jīng)濟性和實用性由風車的安裝地點、方向、風速等多種因素綜合決定。（3）核能發(fā)電——利用核反應堆釋放出的核能量進行的發(fā)電形式。新核能2023/11/14（4）小水利發(fā)電——裝機容量50000kW以下水電站及其配套電網(wǎng)的統(tǒng)稱。優(yōu)勢：開發(fā)靈活，可以分散開發(fā)、就地成網(wǎng)、分布供電；具有極強的適用性和輻射性；是國際上大力提倡的清潔可再生的綠色能源；在環(huán)境保護、扶貧及提供農村能源等方面均具有顯著作用。小水利2023/11/14（5）生物質能發(fā)電——利用生物質轉換過程形成的生物質氣、油通過燃燒發(fā)電的形式。全世界約25億人的生活能源的90%以上是生物質能。優(yōu)點：燃燒容易，污染少，灰分較低；缺點：熱值及熱效率低，能量密度低，直接燃燒生物質的熱效率僅為10%～30%，體積大而不易運輸。2023/11/14（6）海洋能發(fā)電——利用海洋的各種能量，直接將其轉換為電能的形式。包括：潮汐能、波浪能、海流能、海水溫差能、海水鹽差能優(yōu)點：蘊藏豐富、分布廣、清潔無污染，但能量密度低、地域性強缺點：開發(fā)困難，并有一定的局限潮汐發(fā)電和小型波浪發(fā)電技術已經(jīng)實用化。2023/11/14（7）地熱能發(fā)電——利用高溫地熱資源進行發(fā)電的形式。缺點：由于地熱田的分布一般遠離人口密集的城鎮(zhèn)，要利用這些資源就存在蒸汽或熱水長距離輸送的困難。氫能發(fā)電——用電解法、熱化學法、光電化學法、等離子體化學法等制備氫氣，再經(jīng)燃料或制成氫燃料電池發(fā)電的形式。

BMW氫能7系概念車時速300km/h以上2023/11/142、新能源轉換的經(jīng)濟意義目前除水電外，最有競爭潛力和增長速度最快的是風能。2004年德國的風力發(fā)電量已達245億kW·h，可滿足全國4%的用電量。太陽能設施建造成本太高，光伏發(fā)電系統(tǒng)平均為5000歐元／kW·h，太陽能供熱系統(tǒng)平均為2500歐元／kW·h，因此與化石能源相比，短期內還缺乏競爭力。我國在地熱能發(fā)電、潮汐發(fā)電等方面已有規(guī)?；瘧糜捎凇毒┒甲h定書》的生效，氫能作為有望替代石油的動力燃料，得到了各發(fā)達國家的普遍關注。作為替代石油的重要戰(zhàn)略選擇，生物質燃料也成為世界最新關注的熱點。生物質能可直接生產(chǎn)和提供動力液體燃料，這對于解決交通能源十分重要。核電是新能源體系中能量密度最大，運行成本較低的清潔能源。

2023/11/14第3章風能、風力發(fā)電與控制技術2023/11/142023/11/14

本章主要內容3.1風的特性及風能利用3.2風力發(fā)電機組及工作原理3.3風力發(fā)電機組的控制策略3.4風力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行和功率補償3.5風力發(fā)電的經(jīng)濟技術性評價2023/11/14

緒論

在新能源發(fā)電技術中，風力發(fā)電是其中最接近實用和推廣的一種。風力發(fā)電是一個綜合性較強的系統(tǒng)，涉及空氣動力學、機械、電機和控制技術等領域。

風力發(fā)電是在大量利用風力提水的基礎上發(fā)展起來的，它首先起源于丹麥，目前丹麥已成為世界上生產(chǎn)風力發(fā)電設備的大國。20世紀70年代世界連續(xù)出現(xiàn)石油危機，隨之而來的環(huán)境問題迫使人們考慮可再生能源利用問題，風力發(fā)電很快重新提上了議事日程。風力發(fā)電是近期內最具開發(fā)利用前景的可再生能源，也將是21世紀中發(fā)展最快的一種可再生能源。2023/11/14感性認識：各式風機2023/11/142023/11/142023/11/142023/11/143.1風的特性及風能利用3.1.1風的產(chǎn)生

風是地球上的一種自然現(xiàn)象，由太陽輻射熱和地球自轉、公轉和地表差異等引起，大氣是這種能源轉換的媒介。圖3-1地球上風的運動2023/11/143.1.2風的特性與風能1、隨機性2、風隨高度的變化而變化

不同高度風速的表達式：

式中ν——距地面高度為h處的風速（m／s）；

ν0——高度為h0處的風速（m／s），一般取h0為10m；

k——修正指數(shù)，它取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度等，其值約為0.125～0.5。

2023/11/143.1.3風的表示及應用1、風向

風向一般用16個方位表示，也可以用角度表示。圖示方向方位圖圖3-2風向方位圖2023/11/142、風速由于風時有時無、時大時小，每一瞬時的速度都不相同，所以風速是指一段時間內的平均值，即平均風速。

3、風力風力等級是根據(jù)風對地面或海面物體影響而引起的各種現(xiàn)象，按風力的強度等級來估計風力的大小。國際上采用的為蒲福風級，從靜風到颶風共分為13個等級。

風力等級與風速的關系：式中VN——N級風的平均風速(m/s)；

N——風的級數(shù)。2023/11/144、風能

（1）風能密度，空氣在一秒鐘內以速度ν流過單位面積產(chǎn)生的動能。表達式為：

（2）風能，空氣在一秒鐘時間內以速度ν流過面積為S截面的動能。

表達式為：

（3）風能利用，風能的利用主要是將大氣運動時所具有的動能轉化為其他形式的能量。2023/11/14風能轉換及應用情況如圖所示。圖3-5風能轉換與應用情況2023/11/143.2風力發(fā)電機組及工作原理3.2.1風力發(fā)電機組的結構及分類

1、風力發(fā)電機組的分類

風力發(fā)電機組的分類一般有3種，如下表所示。2023/11/14按風輪軸的安裝型式按風力發(fā)電機的功率

按運行方式

水平軸風力發(fā)電機組和垂直軸風力發(fā)電機組

微型（額定功率50～1000W）、小型（額定功率1.0～10kW）、中型（額定功率10～100kW）和大型（額定功率大于100kW）

獨立運行和并網(wǎng)運行

2023/11/142、風力發(fā)電機組的結構

風力發(fā)電機組中，水平軸式風力發(fā)電機組是目前技術最成熟、產(chǎn)量最大的形式；垂直軸風力發(fā)電機組因其效率低、需起動設備等技術原因應用較少，因此下面主要介紹水平軸風力發(fā)電機組的結構。2023/11/14（1）獨立運行的風力發(fā)電機組

水平軸獨立運行的風力發(fā)電機組主要由風輪(包括尾舵)、發(fā)電機、支架、電纜、充電控制器、逆變器、蓄電池組等組成，其主要結構見右圖。

圖3-6水平軸獨立運行的風力發(fā)電機組主要結構2023/11/14

并網(wǎng)運行的水平軸式風力發(fā)電機組由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成，其結構如右圖所示

（2）并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組圖3-7并網(wǎng)運行的水平軸風力發(fā)電機組的原理框圖2023/11/14

并網(wǎng)運行的大型風力發(fā)電機組的基本結構，它由葉片、輪轂、主軸、增速齒輪箱、調向機構、發(fā)電機、塔架、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙、機座、回轉體、制動器）等組成，結構如右圖。

（3）大型風力發(fā)電機組圖3-8大型風力發(fā)電機組的基本結構2023/11/143.2.2風力機風力機又稱為風輪，主要有水平軸風力機和垂直軸風力機。1、水平軸風力機：

a.荷蘭式

b.農莊式

c.自行車式

d.槳葉式

圖3-9水平軸風力機2023/11/142、垂直軸風力機：a.薩窩紐斯式b.達里厄式c.旋翼式圖-10垂直軸風力機2023/11/14水平軸垂直軸2023/11/143.2.3風力機的氣動原理

風力發(fā)電機組中的風輪之所以能將風能轉化為機械能，原因是因為風力機具有特殊的翼型。圖示為現(xiàn)代風力機葉片的翼型及翼型受力分析圖。

圖3-11風力機的葉片翼型及受力2023/11/14

現(xiàn)分析風輪不動時受到風吹的情況：當風以速度矢量ν吹向葉片時，在翼型的上表面，風速減小，形成低壓區(qū)，翼型的下表面，風速增大，形成高壓區(qū)，上下表面間形成壓差，產(chǎn)生垂直于翼弦的力F，力F可以分解為與相對風速方向平行的阻力FD和垂直于風向的升力FL，升力使風力機旋轉，實現(xiàn)能量的轉換。

2023/11/14風力機的輸出功率當風吹向風力機的葉片時，風力機的主要作用是將風能轉化為機械能，風力機的機械輸出功率可用式子表示為：2023/11/14

對應于最大的風力機利用系CPm有一個葉尖速比λm，因風速經(jīng)常變化，為實現(xiàn)風能的最大捕獲，風力機應變速運行，以維持葉尖速比λm不變。在槳距角一定時，CP與葉尖速比λ的關系如下圖所示。

圖3-13風力機的利用系數(shù)與葉尖速比的關系2023/11/143.2.4風力發(fā)電機

在由機械能轉換為電能的過程中，發(fā)電機及其控制器是整個系統(tǒng)的核心。獨立運行的風力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機主要有直流發(fā)電機、永磁式交流發(fā)電機、硅整流自勵式交流發(fā)電機及電容式自勵異步發(fā)電機。并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機機組中使用的發(fā)電機主要有同步發(fā)電機、異步發(fā)電機、雙饋發(fā)電機、低速交流發(fā)電機、無刷雙饋發(fā)電機、交流整流子發(fā)電機、高壓同步發(fā)電機及開關磁阻發(fā)電機等。2023/11/141、獨立運行風力發(fā)電機組中的發(fā)電機

獨立運行的風力發(fā)電機一般容量較小，與蓄電池和功率變換器配合實現(xiàn)直流電和交流電的持續(xù)供給。獨立運行的交流風力發(fā)電系統(tǒng)結構如下圖所示。

圖3-14獨立運行的交流風力發(fā)電機系統(tǒng)結構2023/11/14（1）直流發(fā)電機直流發(fā)電機從磁場產(chǎn)生（勵磁）的角度來分，可分為永磁式直流發(fā)電機和電磁式直流發(fā)電機，典型結構如圖示。直流發(fā)電機可直接將電能送給蓄電池蓄能，可省去整流器，隨著永磁材料的發(fā)展及直流發(fā)電機的無刷化，永磁直流發(fā)電機的功率不斷做大，性能大大提高，是一種很有發(fā)展前途的發(fā)電機。

圖3-15電磁式直流發(fā)電機結構2023/11/14（2）永磁式交流同步發(fā)電機永磁式交流同步發(fā)電機的轉子上沒有勵磁繞組，因此無勵磁繞組的銅損耗，發(fā)電機的效率高；轉子上無集電環(huán)，發(fā)電機運行更可靠；采用釹鐵硼永磁材料制造的發(fā)電機體積小，重量輕，制造工藝簡便，因此廣泛應用于小型及微型風力發(fā)電機中。圖3-17凸極式永磁發(fā)電機結構示意圖

1—定子齒2—定子軛3—永磁體轉子4—轉子軸5—氣隙6—定子繞組2023/11/14（3）硅整流自勵式交流同步發(fā)電機

如下圖，硅整流自勵式交流同步發(fā)電機電路原理圖。硅整流自勵式交流同步發(fā)電機一般帶有勵磁調節(jié)器，通過自動調節(jié)勵磁電流的大小，來抵消因風速變化而導致的發(fā)電機轉速變化對發(fā)電機端電壓的影響，延長蓄電池的使用壽命，提高供電質量。圖3-18硅整流自勵式交流同步發(fā)電機電路原理圖2023/11/14（4）電容自勵式異步發(fā)電機

電容自勵式異步發(fā)電機是在異步發(fā)電機定子繞組的輸出端接上電容，以產(chǎn)生超前于電壓的容性電流建立磁場，從而建立電壓。其電路示意圖如下圖所示。

圖3-19電容自勵式異步發(fā)電機電路原理2023/11/14并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組中所用的發(fā)電機（1）異步發(fā)電機風力異步發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時，只要發(fā)電機轉速接近同步轉速就可以并網(wǎng)，對機組的調速要求不高，不需要同步設備和整步操作。異步發(fā)電機的輸出功率與轉速近似成線性關系，可通過轉差率來調整負載。（2）同步發(fā)電機當發(fā)電機的轉速一定時，同步發(fā)電機的頻率穩(wěn)定，電能質量高；同步發(fā)電機運行時可通過調節(jié)勵磁電流來調節(jié)功率因數(shù)，既能輸出有功功率，也可提供無功功率，可使功率因數(shù)為1，因此被電力系統(tǒng)廣泛接受。

2023/11/142023/11/14（3）雙饋異步發(fā)電機雙饋異步發(fā)電機是當今最有發(fā)展前途的一種發(fā)電機，其結構是由一臺帶集電環(huán)的繞線轉子異步發(fā)電機和變頻器組成，變頻器有交－交變頻器、交－直－交變頻器及正弦波脈寬調制雙向變頻器三種，系統(tǒng)結構如下圖所示。圖3-25雙饋異步發(fā)電機的系統(tǒng)結構2023/11/142023/11/14

雙饋異步發(fā)電機工作原理：異步發(fā)電機中定、轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁場始終是相對靜止的，當發(fā)電機轉速變化而頻率不變時，發(fā)電機轉子的轉速和定、轉子電流的頻率關系可表示為：

式中

f1——定子電流的頻率（Hz），f1=pn1/60，n1

為同步轉速；

p——發(fā)電機的極對數(shù)；

n——轉子的轉速（r/min）；

f2——轉子電流的頻率（Hz），因f2=sf1，故f2又稱為轉差頻率。2023/11/14根據(jù)雙饋異步發(fā)電機轉子轉速的變化，雙饋異步發(fā)電機可以有三種運行狀態(tài)：1）亞同步運行狀態(tài)。此時n<n1，轉差率s>0，頻率為f2的轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁場的轉速與轉子轉速同方向，功率流向如圖所示。2023/11/142）超同步運行狀態(tài)。此時n>n1，轉差率s<0，轉子中的電流相序發(fā)生了改變，頻率為f2的轉子電流產(chǎn)生的旋轉磁場的轉速與轉子轉速反方向，功率流向如圖所示。3）同步運行狀態(tài)。此時n=n1，f2=0，轉子中的電流為直流，與同步發(fā)電機相同。

2023/11/14

雙饋異步發(fā)電機的轉子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實現(xiàn)功率的雙向流動，功率變換器的容量小，成本低；既可以亞同步運行，也可以超同步運行，因此調速范圍寬；可跟蹤最佳葉尖速，實現(xiàn)最大風能捕獲；可對有功功率和無功功率進行控制，提高功率因數(shù)；能吸收陣風能量，減小轉矩脈動和輸出功率的波動，因此電能質量高，是目前很有發(fā)展?jié)摿Φ淖兯俸泐l發(fā)電機。2023/11/14（4）無刷雙饋異步發(fā)電機

無刷雙饋異步發(fā)電機(BrushlessDoubly－FedMachine，簡稱BDFM)的基本原理與雙饋異步發(fā)電機相同，不同之外是取消了電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行的可靠性增大，但系統(tǒng)體積也相應增大，常用的有級聯(lián)式和磁場調制型兩種類型。圖3-27級聯(lián)式無刷雙饋異步發(fā)電機

圖3-28磁場調制型無刷雙饋異步發(fā)電機

2023/11/14（5）開關磁阻發(fā)電機開關磁阻發(fā)電機又稱為雙凸極式發(fā)電機（簡稱SRG），定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成，定子極數(shù)一般比轉子的極數(shù)多，轉子上無繞組，定子凸極上安放有彼此獨立的集中繞組，徑向獨立的兩個繞組串聯(lián)起來構成一相。

圖3-29三相（6/4極）開關磁阻發(fā)電機結構

2023/11/14

開關磁阻發(fā)電機用作為風力發(fā)電機時，其系統(tǒng)一般由風力機、開關磁阻發(fā)電機及其功率變換器、控制器、蓄電池、逆變器、負載以及輔助電源等組成，其系統(tǒng)構成如圖所示。

開關磁阻發(fā)電機的結構簡單，控制靈活，效率高而且轉矩密度大，在風力發(fā)電系統(tǒng)中可用于直接驅動、變速運行，有一定的開發(fā)、研究價值。圖3-30開關磁阻風力發(fā)電機系統(tǒng)的構成2023/11/143.3風力發(fā)電機組的控制策略

與一般工業(yè)控制系統(tǒng)不同，風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是一個綜合性復雜控制系統(tǒng)。尤其是對于并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組，控制系統(tǒng)不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風況和機組運行數(shù)據(jù)，對機組進行并網(wǎng)與脫網(wǎng)控制，以確保運行過程的安全性和可靠性，還需要根據(jù)風速和風向的變化，對機組進行優(yōu)化控制，以提高機組的運行效率和發(fā)電質量，而這正是風力發(fā)電機組控制中的關鍵技術，現(xiàn)代風力發(fā)電機組一般都采用微機控制，如下圖所示。2023/11/142－A/D轉換模塊3－風向標4－風速計5－頻率計6－電壓表7－電流表8－控制機構9－執(zhí)行機構10－液壓調速油缸11－調向電機12－其他傳感器

圖3-32風力發(fā)電機組的微機自控原理框圖2023/11/143.3.1風力發(fā)電的特點及控制要求風力發(fā)電系統(tǒng)控制的目標主要有四個：保證系統(tǒng)的可靠運行、能量利用率最大、電能質量高、機組壽命延長。風力發(fā)電系統(tǒng)常規(guī)的控制功能有七個：

①在運行的風速范圍內，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；

②低風速時，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風能；

③高風速時，限制風能的捕獲，保持風力發(fā)電機組的輸出功率為額定值；

④減小陣風引起的轉矩波動峰值，減小風輪的機械應力和輸出功率的波動，避免共振；2023/11/14⑤減小功率傳動鏈的暫態(tài)響應；⑥控制器簡單，控制代價小，對一些輸入信號進行限幅；⑦調節(jié)機組的功率，確保機組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。

為實現(xiàn)上述所要求的部分或全部控制功能，風力發(fā)電機組的控制技術經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段：從最初的定槳距失速恒頻控制到后來的變槳距恒速恒頻控制，目前主要發(fā)展變槳距或定槳距變速恒頻控制。2023/11/143.3.2并網(wǎng)型風力發(fā)電機的功率調節(jié)控制

風力機的功率調節(jié)方式有定槳距失速調節(jié)、變槳距調節(jié)和主動失速調節(jié)三種。1、定槳距失速調節(jié)定槳距失速調節(jié)一般用于恒速控制，其風力機的結構特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。在風速超過額定風速后利用槳葉翼型本身的失速特性，維持發(fā)電機組的輸出功率在額定值附近。

2023/11/14

定槳距失速控制的優(yōu)點是失速調節(jié)簡單可靠，由風速變化引起的輸出功率的控制只通過槳葉的被動失速調節(jié)實現(xiàn)，沒有功率反饋系統(tǒng)和變槳距機構，使控制系統(tǒng)大為簡化，整機結構簡單、部件小、造價低。其缺點是葉片重量大、成形工藝復雜，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。2、變槳距風力發(fā)電機組的調節(jié)與控制變槳距風力機的整個葉片可以繞葉片中心軸旋轉，使葉片的攻角在一定范圍（0～90o）變化，變槳距調節(jié)是指通過變槳距機構改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使風輪葉片的槳距角隨風速的變化而變化，一般用于變速運行的風力發(fā)電機，主要目的是改善機組的起動性能和功率特性。2023/11/14

（1）根據(jù)其作用可分為三個控制過程：起動時的轉速控制，額定轉速以下（欠功率狀態(tài)）的不控制和額定轉速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制。

a.起動時的轉速控制

變距風輪的槳葉在靜止時，槳距角β為90o，當風速達起動風速時，槳葉向0o方向轉動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角，風力機獲得最大的起動轉矩，實現(xiàn)風力發(fā)電機的起動

b.額定轉速以下（欠功率狀態(tài)）的控制

為了改善低風速時的槳葉性能，近幾年來，在并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機上，利用新技術，根據(jù)風速的大小調整發(fā)電機的轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優(yōu)化功率輸出。2023/11/14

c.額定轉速以上（額定功率狀態(tài)）的恒功率控制

當風速過高時，通過調整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，使槳距角β

向迎風面積減小的方向轉動一個角度，β增大，功角α

減小，如圖所示。從而改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉矩，使功率輸出保持在額定值附近，這時風力機在額定點的附近具有較高的風能利用因數(shù)。2023/11/14a）變槳距風力發(fā)電機組的功率曲線

b）定槳距風力發(fā)電機組的功率曲線

由圖可見，在額定風速以下，兩者相似，但在額定風速以上，變槳距風力發(fā)電機的輸出功率維持恒定，而定槳距風力發(fā)電機組的輸出功率由于風力機的失速當風速增大時而減小。2023/11/143、變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)框圖如圖所示。在起動時實現(xiàn)轉速控制，由速度控制器起作用，起動結束后，在額定風速以下，轉速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)不進行控制。當風速達到或超過額定風速時，切換到功率控制，功率控制器根據(jù)給定與反饋的功率信號比較后進行功率控制，以維持額定功率不變。

圖3-38傳統(tǒng)的變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)框圖2023/11/14

新型控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是采用了兩個速度控制器及增加了轉子電流的控制。其中一個速度控制器的作用與傳統(tǒng)的速度控制器相同，既起動時和同步轉速附近的轉速控制。

另一個速度控制器的作用是在并網(wǎng)后，和功率控制器一起通過轉子電流的控制實現(xiàn)電機轉差即轉速的控制。帶轉子電流控制器的繞線轉子異步發(fā)電機的系統(tǒng)結構如圖所示。圖3-39帶轉子電流控制器的繞線轉子異步發(fā)電機的系統(tǒng)結構2023/11/14

轉子電流控制器安裝在繞線轉子異步發(fā)電機的轉子軸上，通過集電環(huán)與轉子電路相連，轉子電路中外接三相電阻，通過一組電力電子器件來調整轉子回路電阻，從而調節(jié)發(fā)電機的轉差率，實現(xiàn)調速的目的，其控制系統(tǒng)原理如下圖所示。圖中的開關S代表機組啟動并網(wǎng)前的控制方式，為轉速閉環(huán)控制；開關R代表機組并網(wǎng)后的控制方式，為功率閉環(huán)控制；RCC為異步發(fā)電機的轉子電流控制器。

2023/11/14圖3-40轉差可調異步發(fā)電機控制原理框圖

2023/11/14

變速恒頻風力發(fā)電機組的調節(jié)與控制

1、原理變速恒頻是指發(fā)電機的轉速隨風速變化，通過適當?shù)目刂频玫捷敵鲱l率恒定的電能。

2、特點

1.可大范圍的調節(jié)轉速，使功率系數(shù)保持在最佳值，從而最大限度地吸收風能，系統(tǒng)效率高；

2.能吸收和存貯陣風能量，減少陣風沖擊對風力發(fā)電機產(chǎn)生的疲勞損壞、機械應力和轉矩脈動，延長機組壽命，減少噪聲；

3.可以控制有功功率和無功功率，電能質量高。2023/11/143、調節(jié)控制過程

(1)起動時通過調節(jié)槳距控制發(fā)電機的轉速，使發(fā)電機轉速在同步轉速附近，尋找最佳時機并網(wǎng)；

(2)并網(wǎng)后，在額定風速以下，通過調節(jié)發(fā)電機的電磁制動轉矩使發(fā)電機轉子的轉速跟隨風速的變化，保持最佳葉尖速比，確保風能的最大捕獲，表現(xiàn)為跟蹤控制問題；

(3)在額定風速以上，采用發(fā)電機轉子變速和槳葉節(jié)距雙重調節(jié)，利用風輪轉速的變化，存貯或釋放部分能量，限制風力機獲取能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使風力發(fā)電機保持在額定值下發(fā)電，保證發(fā)電機輸出功率的更加平穩(wěn)。2023/11/144、變速恒頻風力發(fā)電機的基本結構和主要類型

(1)籠型異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

不足：系統(tǒng)的成本和體積較大，在大容量發(fā)電機組中難以實現(xiàn)；需加電容補償裝置，其電壓和功率因數(shù)的控制較難。

2023/11/14(2)同步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

特點：變頻器容量較大，但其控制比籠型異步發(fā)電機簡單，可通過轉子勵磁電流的控制來實現(xiàn)轉矩、有功功率和無功功率的控制。2023/11/14(3)雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

特點：大大降低了變頻器的成本和控制難度；定子直接上網(wǎng)，系統(tǒng)具有很強的抗干擾性和穩(wěn)定性；通過改變轉子電流的相位和幅值來調節(jié)有功功率和無功功率。缺點是發(fā)電機仍有電刷和集電環(huán)，工作可靠性受影響。

圖3-45雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

2023/11/14(4)無刷雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

特點：變頻器的容量較??；除實現(xiàn)變速恒頻控制外，還可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的靈活控制，以補償電網(wǎng)的功率因數(shù)；發(fā)電機上無電刷和集電環(huán)，系統(tǒng)運行的可靠性增大。但發(fā)電機結構和控制器較復雜圖3-46無刷雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)2023/11/145、變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的基本控制策略一般確定為：

①低于額定風速時，跟蹤最大風能利用系數(shù)，以獲得最大能量；

②高于額定風速時，跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩(wěn)定。2023/11/14(1)轉速控制策略一般通過控制發(fā)電機的電磁轉矩實現(xiàn)轉速的控制，圖為最佳轉矩－轉速曲線。2023/11/14

為實現(xiàn)對最佳轉矩—轉速曲線的跟蹤，一般有間接速度控制和直接速度控制兩種方法，分別如下圖所示。圖3-48a)間接速度控制策略

2023/11/14圖3-48b)直接速度控制策略

2023/11/14(2)功率控制策略一般采用兩種方法：

①控制發(fā)電機的電磁轉矩來改變發(fā)電機的轉速，從而改變風輪的葉尖速比，維持功率不變；

②改變槳葉節(jié)距角來改變空氣動力轉矩；或將兩種方法結合起來，以改善性能。

2023/11/14圖3-49功率控制系統(tǒng)總框圖

2023/11/14圖3-50改變槳葉節(jié)距角的控制系統(tǒng)圖

2023/11/146、雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的控制實現(xiàn)變速恒頻的方法很多，其中雙饋異步發(fā)電機的方案最具優(yōu)勢。雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)中的變頻器采用雙PWM變頻器，發(fā)電機根據(jù)風力機轉速的變化調節(jié)轉子勵磁電流的頻率，實現(xiàn)恒頻輸出；再通過矢量變換控制實現(xiàn)發(fā)電機的有功和無功功率的獨立調節(jié)，進而控制發(fā)電機組的轉速實現(xiàn)最佳風能的捕獲。采用矢量控制技術的雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的結構圖如圖所示，圖中DFIG為雙饋異步發(fā)電機的簡稱。

2023/11/14圖3-51采用矢量控制技術的雙饋異步發(fā)電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的結構

2023/11/14圖3-52由IGBT電力電子器件組成的雙PWM變頻器的主電路2023/11/147、風力發(fā)電系統(tǒng)的智能控制

(1)模糊控制模糊控制可將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言規(guī)劃用于控制器的設計，不需要被控對象精確的數(shù)學模型，能克服非線性因素的影響，對被控對象的參數(shù)具有較強的魯棒性，非常適用于風力發(fā)電系統(tǒng)的控制。對于變速恒頻控制的風力發(fā)電系統(tǒng)，可針對機組的不同狀態(tài)設計相應的模糊控制器，以達到最大風能捕獲和功率穩(wěn)定的控制，圖為模糊邏輯控制器框圖。

2023/11/14圖3-57模糊邏輯控制器框圖R—給定值E—偏差U—控制器Y—被控制量2023/11/14(2)模型參考自適應控制針對風力發(fā)電系統(tǒng)的復雜性、不確定性、不穩(wěn)定性和模型很難建立的特點，采用模型參考自適應控制，通過參考模型的建立和自適應機構進行控制器參數(shù)的適時修正來降低不確定性對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)風力發(fā)電機組的轉速和功率的控制。模型參考自適應控制系統(tǒng)的結構如圖所示，

2023/11/14圖3-58模型參考自適應控制系統(tǒng)

ωopt為希望轉速，ω為發(fā)電機的實際轉速，ωw為風力機的轉速，υ為風速，ω*為參考轉速，e為參考轉速與發(fā)電機實際轉速之間的偏差

2023/11/14

除了上述的二種智能控制方法外，還有神經(jīng)網(wǎng)絡控制、滑模變結構控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應用研究，隨著新技術的發(fā)展和人們對風力發(fā)電的重視，風力發(fā)電的控制技術會得到更大的發(fā)展。2023/11/14(3)神經(jīng)網(wǎng)絡控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有可任意逼近任何非線性模型的非線性映射能力，利用其學習和自收斂性可設計自適應控制器，可提高系統(tǒng)的控制精度，增強系統(tǒng)對環(huán)境的適應能力，因此在風力發(fā)電系統(tǒng)中也有相應的應用研究。神經(jīng)網(wǎng)絡控制還可以與模糊控制相結合，設計成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器來控制風力發(fā)電機組。

除了上述的三種智能控制方法外，還有滑模變結構控制、H∞控制等新型的智能控制方法在風力發(fā)電系統(tǒng)的控制中也有一定的應用研究，隨著新技術的發(fā)展和人們對風力發(fā)電的重視，風力發(fā)電的控制技術會得到更大的發(fā)展。

2023/11/143.4風力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術和功率補償

由于風能是一個不穩(wěn)定的能源，風力發(fā)電本身難以提供穩(wěn)定的電能輸出，因此風力發(fā)電必須采用儲能裝置或與其他發(fā)電裝置互補運行。

10kW以下的小型風力發(fā)電機組主要采用直流發(fā)電系統(tǒng)并配合蓄電池儲能裝置獨立運行。

為解決風力發(fā)電穩(wěn)定供電的問題，目前一般采用的方法是：

1000kW以上的大型風力發(fā)電機組并網(wǎng)運行；

幾十kW～幾百kW的風力發(fā)電機組可以并網(wǎng)運行，或者與其他發(fā)電裝置互補運行（如風光互補、風力－柴油發(fā)電聯(lián)合運行）；2023/11/14

大中型風力發(fā)電機組主要是并網(wǎng)運行，由于發(fā)電機并網(wǎng)過程是一個瞬變過程，它受制于并網(wǎng)前的發(fā)電狀況，影響并網(wǎng)后發(fā)電機的運行和電網(wǎng)電能質量，在并網(wǎng)運行方式中主要解決的問題是并網(wǎng)控制和功率調節(jié)問題。對并網(wǎng)運行的不同風力發(fā)電機組其控制方法和控制重點不同。2023/11/143.4.1風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)運行和功率補償

同步發(fā)電機的轉速和頻率之間有著嚴格不變的固定關系，同步發(fā)電機在運行過程中，可通過勵磁電流的調節(jié)，實現(xiàn)無功功率的補償，其輸出電能頻率穩(wěn)定，電能質量高，因此在發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機也是應用最普遍的。2023/11/141、風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)條件和并網(wǎng)方法

風力同步發(fā)電機組與電網(wǎng)并聯(lián)運行的電路如圖3－59所示，圖中同步發(fā)電機的定子繞組通過斷路器與電網(wǎng)相連，轉子勵磁繞組由勵磁調節(jié)器控制。1）并網(wǎng)條件圖3-59同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)的電路2023/11/14

風力同步發(fā)電機組并聯(lián)到電網(wǎng)時，為防止過大的電流沖擊和轉矩沖擊，風力發(fā)電機輸出的各相端電壓的瞬時值要與電網(wǎng)端對應相電壓的瞬時值完全一致。具體有五個條件：①波形相同；②幅值相同；③頻率相同；④相序相同；

在并網(wǎng)時，因風力發(fā)電機旋轉方向不變，只要使發(fā)電機的各相繞組輸出端與電網(wǎng)各相互相對應，條件④就可以滿足；而條件①可由發(fā)電機設計、制造和安裝保證；因此并網(wǎng)時，主要是其他三條的檢測和控制，這其中第③條頻率相同是必須滿足的條件。

⑤相位相同。2023/11/142）并網(wǎng)方法滿足上述理想并聯(lián)條件的并網(wǎng)方式稱為準同步并網(wǎng)方式，在這種并網(wǎng)方式下，并網(wǎng)瞬間不會產(chǎn)生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會下降，也不會對定子繞組和其他機械部件造成沖擊。(1)自動準同步并網(wǎng)2023/11/14

風力同步發(fā)電機組的起動與并網(wǎng)過程如下：偏航系統(tǒng)根據(jù)風向傳感器測量的風向信號驅動風力機對準風向。當風速達到風力機的起動風速時，槳距控制器調節(jié)葉片槳距角使風力機起動。當發(fā)電機在風力機的帶動下轉速接近同步轉速時，勵磁調節(jié)器給發(fā)電機輸入勵磁電流，通過勵磁電流的調節(jié)使發(fā)電機輸出的端電壓與電網(wǎng)電壓相近。在風力發(fā)電機的轉速幾乎達到同步轉速、發(fā)電機的端電壓與電網(wǎng)電壓的幅值大致相同和斷路器兩端的電位差為零或很小時，控制斷路器合閘并網(wǎng)。風力同步發(fā)電機并網(wǎng)后通過自整步作用牽入同步，使發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)一致。以上的檢測與控制過程一般通過微機實現(xiàn)。2023/11/14(2)自同步并網(wǎng)

同步發(fā)電機的轉子勵磁繞組先通過限流電阻短接，電機中無勵磁磁場。用原動機將發(fā)電機轉子拖到同步轉速附近（差值小于5%）時，將發(fā)電機并入電網(wǎng)，再立刻給發(fā)電機勵磁，在定、轉子之間的電磁力作用下，發(fā)電機自動牽入同步。由于發(fā)電機并網(wǎng)時，轉子繞組中無勵磁電流，因而發(fā)電機定子繞組中沒有感應電勢，不需要對發(fā)電機的電壓和相角進行調節(jié)和校準，控制簡單，并且從根本上排除不同步合閘的可能性。這種并網(wǎng)方法的缺點是合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時下降現(xiàn)象。2023/11/142、功率調節(jié)與補償

1）有功功率的調節(jié)

風力同步發(fā)電機中，風力機輸入的機械能首先克服機械阻力，通過電機內部的電磁作用轉化為電磁功率，電磁功率扣除電機繞組的銅損耗和鐵損耗后即為輸出的電功率，若不計銅損耗和鐵損耗，可認為輸出功率近似等于電磁功率。功率角δ：轉子勵磁磁場軸線與定、轉子合成磁場軸線之間的夾角功角特性：電磁功率Pem與功率角δ之間的關系，如圖3－60所示

同步發(fā)電機內部的電磁作用可以看成是轉子勵磁磁場和定子電流產(chǎn)生的同步旋轉磁場之間的相互作用。2023/11/14圖3-60同步發(fā)電機的功角特性a）凸極機b）隱極機2023/11/14

這時可以增大勵磁電流，以增大功率極限，提高靜態(tài)穩(wěn)定度，這就是有功功率的調節(jié)。失步功率，又稱為極限功率：對于隱極機而言，功率角為90°（凸極機功率角小于90°）時，輸出功率的最大功率。風力機輸入的機械功率↑→Pem↑→勵磁不作調節(jié)，δ

↑達到最大功率后，如果風力機輸入的機械功率繼續(xù)↑→δ＞

90°，Pem↓→轉速持續(xù)上升而失去同步。

如一臺運行在額定功率附近的風力發(fā)電機，突然的一陣劇風可能導致發(fā)電機的功率超過極限功率而使發(fā)電機失步，2023/11/14

并網(wǎng)運行的風力同步發(fā)電機當功率角變?yōu)樨撝禃r，電機將運行在電動機狀態(tài)，此時風力發(fā)電機相當于一臺大風扇，電機從電網(wǎng)吸收電能。為避免發(fā)電機電動運行，當風速降到一臨界值以下時，應及時地將發(fā)電機與電網(wǎng)脫開。2023/11/142）無功功率的補償（2）同步發(fā)電機帶感性負載時，由于定子電流建立的磁場對電機中的勵磁磁場有去磁作用，發(fā)電機的輸出電壓也會下降。無功功率的補償：為了維持發(fā)電機的端電壓穩(wěn)定和補償電網(wǎng)的無功功率，需增大同步發(fā)電機的轉子勵磁電流。發(fā)電機的輸出電壓下降的原因：（1）電網(wǎng)所帶的負載大部分為感性的異步電動機和變壓器，這些負載需要從電網(wǎng)吸收有功功率和無功功率，整個電網(wǎng)要是提供的無功功率不夠，電網(wǎng)的電壓會下降。2023/11/14

同步發(fā)電機的無功功率補償可用其定子電流I和勵磁電流If之間的關系曲線來解釋。在輸出功率P2一定的條件下，同步發(fā)電機的定子電流I和勵磁電流If之間的關系曲線也稱為V型曲線，如圖3－61所示。圖3-61同步發(fā)電機V型曲線2023/11/14cosφ=1時，If=IfN（額定電流），I最小；

I＞IfN（過勵）時，功率因數(shù)為滯后的，發(fā)電機向電網(wǎng)輸出滯后的無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)；

I＜IfN（欠勵）時，功率因數(shù)為超前的，發(fā)電機從電網(wǎng)吸引滯后的無功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)更低，這時的發(fā)電機還存在一個不穩(wěn)定區(qū)（對應功率角大于90°）

因此，同步發(fā)電機一般工作在過勵狀態(tài)下，以補償電網(wǎng)的無功功率和確保機組穩(wěn)定運行。從圖中可以看出：2023/11/143、帶變頻器的風力同步發(fā)電機組的并網(wǎng)

同步發(fā)電機可通過調節(jié)轉子勵磁電流，方便地實現(xiàn)有功和無功功率的調節(jié)，這是其他發(fā)電機難以與其相比的優(yōu)點。但恒速恒頻的風力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機和電網(wǎng)之間為“剛性連接”，發(fā)電機輸出頻率完全取決于原動機的轉速，并網(wǎng)之前發(fā)電機必須經(jīng)過嚴格的整步和（準）同步，并網(wǎng)后也必須保持轉速恒定，因此對控制器的要求高，控制器結構復雜。2023/11/14圖3－62變速恒頻風力同步發(fā)電機組經(jīng)變頻器與電網(wǎng)的連接圖

在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機的定子繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連接，如圖3－62所示。圖中交流發(fā)電機為同步發(fā)電機，變頻器為交－直－交變頻器。2023/1